干冰：固态CO₂的特性、生产与应用
背景
干冰是二氧化碳固态形式的俗称。二氧化碳存在于大气，人呼出、植物光合作用所需。该化合物无色、无味、无臭，密度约空气1.5倍。加压低温下气态二氧化碳转为不透明白色固体，-109°F（-78.5°C）凝固。干冰主要制成两种形式：50磅以上（22.7公斤）块状，或米粒至大颗粒级颗粒状。干冰不熔化，而升华——固态直接转气态（跳过液态），随温升固体消散。这一特性产生烟雾效果，干冰升华似冒蒸汽，常用模拟雾/烟。
干冰本身无毒，但固体表面极冷，无手套勿触。气体稳定惰性，但比空气重，易聚集低洼或密闭空间。空气中二氧化碳浓度超5%成毒性。故使用干冰区域必须通风良好。
气态二氧化碳转固态相对简单。美国众多干冰厂商，产品全国发货供多用途。是重要制冷剂，运输中保鲜抑菌。接触食品的干冰须极洁净为"食品级"防污染。因升华不融化，大量干冰可装入运输容器无需考虑冰融水体积。食品相关用途广泛：食品厂速冻备用、面包房抑制酵母活性、航空餐饮保鲜。
其他用途：苗圃延缓花蕾生长保鲜、橡胶制造瞬间冷冻、吸收氨制冷泄漏、舞台制烟。近年最显著应用为干冰喷砂（清洗），高速喷射干冰颗粒清洁表面。颗粒剥离污染物升华入大气，无毒气残留，仅留污垢油漆待处置。
历史
干冰非发明，而是20世纪初发现固态二氧化碳性质。1920年代美国首次商业化生产。1925年商业项目注册商标dry ice，固态二氧化碳自此称干冰。近年常称hot ice，指触摸冰冷表面手感灼烧。
Prest-Air Devices Company（纽约长岛）似1925年首次成功生产干冰。同年Schrafft's纽约店首用干冰防冰淇淋店内融化。二战前干冰制冷冷冻食品用途远超今日。几乎全球冰淇淋店用干冰保鲜，直至二战后电制冷普及高效。干冰制造数十年无显著变化，属加压冷却气态二氧化碳相对简单工艺。用途随电制冷进步有所萎缩。近期新发展含颗粒喷砂清洗、医疗标本（心、肢、组织）运输再植移植用量增加。
原材料
制造干冰唯一原料为二氧化碳。该原料为其他产品制造或精炼过程中排放气体精炼副产品。美国干冰用二氧化碳多源于石油和氨精炼排气精炼。这些过程排放的二氧化碳被吸收"洗涤"除杂，得食品级二氧化碳最终制干冰。
制造工艺
- 二氧化碳经压缩冷却液化，室温下约870 lb/in²（395 kg/cm²）压力液化。液态二氧化碳经管道泵入巨型储罐供厂商取用。
- 液态二氧化碳大量运输（数吨级）。故多数干冰厂选址靠近石油/氨炼厂控运费。加压冷藏液态二氧化碳直管入厂商罐车/罐车运往工厂。
- 罐车靠厂卸液态二氧化碳入厂内巨型储罐。罐体加压冷藏维持液态。罐靠厂墙，管道直通车间供产用。
- 液态二氧化碳经管道从相邻罐穿厂墙入干冰压机。液体从高压环境骤释至常压，高速膨胀蒸发致液体冷却至冰点-109°F（-78.3°C）。喷嘴将液体喷入干冰压机顶块（约4.9米高）。压机顶部大块可施极大压力。液态二氧化碳撞击压机顶块即刻固化（因现处常温）。二氧化碳呈雪状。
- 上部雪状物须压实成干冰块。顶部上下运动施约60吨巨压，将雪压实成固态干冰块。约5分钟过程。成块约61厘米宽、25厘米高、重约100公斤。
- 不透明白色干冰块推出压机上滚筒。气动锯对半锯开，再送另一锯进一步切割。单块成四块，每块约25公斤。
- 小块装入保冷容器最小化升华。裸块发运须紧密装箱，
干冰形成是一系列化学反应。 通常四块一箱，极少空气减少升华。运输中若取出一块，其余块快速消散。多厂家机器包纸（避免直接触摸极冷表面）发往分销商/批发商。
质量控制
质控核心在于食品级干冰用二氧化碳纯度。近年联邦政府设定严格纯度标准，迫使厂商认证检测液态二氧化碳及成品纯度。
其他质控含罐体设备精准运行。压力维护不当无法生产。从切割到储存快速高效转移至关重要，因干冰室温快速升华减重贬值。发运须密实装箱减少途耗。
副产品/废弃物
干冰生产无显著化学副产品。产品仅由二氧化碳制成，升华排入大气。唯一可测废弃物为块状升华损耗，已最小化控制。
未来展望
干冰制冷食品存储用途虽减，其他领域存潜力。如上所述，家政清洁、机械操作关注小颗粒干冰高压喷射除污后消散特性。电话公司近用干冰颗粒安全清洁敏感电子测试设备，免危险溶剂。汽车钣金修复发现干冰敷车身凹陷有时可消除变形。测试倡导投干冰块灭鼠洞害兽、后院诱蚊远离人群。
延伸阅读
书籍
Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Vol. 5. New York: 1997.
The Handy Science Answer Book. Second ed. Detroit: 1997.
其他
"Dry Ice." About.com Web Page. August 2001. < https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm >.
dryicelnfo.com Home Page. July 2001. < https://www.dryiceinfo.com >.
Interview with Chuck Hines. Owner of Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31 July 2001.
Nancy EV Bryk
制造工艺